魏林生，徐龍圣，章亞芳，袁 萍

(南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院，江西 南昌 330031)

臭氧具有較強(qiáng)的氧化性和環(huán)境友好性，廣泛應(yīng)用于飲用水凈化、廢水處理、空氣凈化、食品加工、化工生產(chǎn)等領(lǐng)域。近幾十年來(lái)，人們對(duì)提高臭氧產(chǎn)率進(jìn)行了大量的研究[1-4]。然而，商用臭氧發(fā)生器的臭氧產(chǎn)率仍然很低，與理論值相差甚遠(yuǎn)。臭氧通常是在氣體放電中產(chǎn)生。為了提高臭氧的產(chǎn)生效率，人們嘗試在電場(chǎng)上施加超聲波[5]、紫外線[6]和磁場(chǎng)[7-9]等外界刺激。在這些外部刺激中，靜止磁場(chǎng)因?yàn)椴恍枰~外的能量從而表現(xiàn)出更好的性能。許多學(xué)者研究了外部磁場(chǎng)對(duì)氣體放電基本特性的影響[10-12]。他們預(yù)言磁場(chǎng)增強(qiáng)可以應(yīng)用于各種工業(yè)應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中,磁場(chǎng)被廣泛應(yīng)用于電除塵器[13]、聚電解質(zhì)薄膜改性[14]、污染氣體控制[15]，放電電磁輻射[16]等領(lǐng)域。

就放電特性方面，Pekarek[7-9]研究了在有氣流的恒定磁場(chǎng)中，介質(zhì)阻擋放電(DBD，Dielectric Barrier Discharge)產(chǎn)生氮氧化物的過(guò)程。結(jié)果表明，磁場(chǎng)可以改善放電特性和氮氧化物的產(chǎn)生。K.Elabbas[11]研究了橫向磁場(chǎng)對(duì)低真空直流電暈放電行為的影響。Liu[12]等通過(guò)光電測(cè)量研究了平行磁場(chǎng)對(duì)重復(fù)納秒脈沖DBD的影響。Mi Junfeng[13]等通過(guò)比較兩種不同磁場(chǎng)對(duì)負(fù)電暈放電電流的影響，并揭示了磁場(chǎng)增強(qiáng)負(fù)電暈放電的機(jī)理。顯然，外加磁場(chǎng)可以有效地改變放電特性。在介質(zhì)阻擋放電過(guò)程中，放電特性的改變會(huì)決定臭氧發(fā)生器性能和效率，從而影響臭氧發(fā)生。然而，對(duì)于磁場(chǎng)作用下DBD臭氧發(fā)生的重要參數(shù)的影響鮮有報(bào)道。為此，本文通過(guò)進(jìn)行磁場(chǎng)增強(qiáng)針板DBD臭氧發(fā)生實(shí)驗(yàn)，研究了不同放電電壓、放電頻率和氣體流量下磁場(chǎng)對(duì)放電特性、臭氧發(fā)生的影響。所得結(jié)果對(duì)開發(fā)新型臭氧發(fā)生器具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。其中，放電室采用針板DBD結(jié)構(gòu)(見圖2)，其由70 mm長(zhǎng)的純鐵空心針高壓電極(外徑/內(nèi)徑：8/6 mm)、1 mm厚的陶瓷板(相對(duì)介電常數(shù)為9.6)作為介質(zhì)板、1 mm厚的接地銅板電極組成。放電間隙為1 mm。針電極同軸放置在靜止磁場(chǎng)中。該磁場(chǎng)由Nd2Fe14B外/內(nèi)徑72/48 mm，高為6 mm的的圓環(huán)磁鐵產(chǎn)生?？諝庖?.1 MPa的壓力進(jìn)入反應(yīng)器，由流量控制裝置(DF-07質(zhì)量流量控制器；D08-3F質(zhì)量流量顯示儀)控制。臭氧濃度由臭氧濃度分析儀(LT-05m，IN China Inc，量程0～1 000 r·min-1，精度為30 r·min-1)測(cè)量。

放電由CTP-2000K交流高壓電源(正弦交流，峰值電壓0～30 kV，頻率2～15 kHz)供電。使用數(shù)字示波器(泰克MDO3034)記錄放電的電氣特性。分別使用高壓探針(P6015A)和電流探頭(2878200mhz，Pearson)對(duì)外加電壓和電流進(jìn)行采樣?；魻柼结樅虷T200高斯計(jì)(IN China Inc，①量程0～20 mT,精度0.01 mT；②量程0～200 mT時(shí)，精度為0.1 mT)測(cè)量環(huán)形磁鐵外的磁場(chǎng)分布。

圖3示出了磁感應(yīng)矢量的軸向分量Bx和徑向分量Br相對(duì)于徑向位置r的關(guān)系

2 外加磁場(chǎng)對(duì)放電特性的影響

圖4顯示了有無(wú)磁場(chǎng)環(huán)境下典型的電壓電流波形。從這些波形可以看出，隨著磁場(chǎng)的加入，電流脈沖的數(shù)量增多，幅值增大，從而導(dǎo)致電流增加。

為了評(píng)估外加磁場(chǎng)對(duì)電荷傳輸?shù)挠绊懸蛩兀疚耐ㄟ^(guò)一個(gè)公式來(lái)計(jì)算當(dāng)空氣通過(guò)空心針進(jìn)入帶有磁場(chǎng)的放電間隙中時(shí)的電荷傳輸[10]：

j=±μN(yùn)E+νN±μN(yùn)(ν×B)

(1)

式中：j為電流密度，A/m2；N=e·n等于帶電粒子的密度，m-3；μ為帶電粒子的遷移率，cm2/(V·s)；E為電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；ν為局部速度，m/s；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T。

如何評(píng)估式(1)中相關(guān)參數(shù)對(duì)電荷傳輸?shù)挠绊懯且粋€(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。其中一個(gè)問(wèn)題是放電的電參數(shù)隨電場(chǎng)和放電電流的正弦變化而變化。放電特性還受介質(zhì)板表面電荷的積累、微放電通道內(nèi)氣溫的變化和放電間隙預(yù)電離等因素的影響[17]。

另一個(gè)問(wèn)題是當(dāng)帶電粒子進(jìn)入到具有磁場(chǎng)的放電間隙中時(shí)，其將同時(shí)受到電場(chǎng)力和洛倫茲力的作用從而發(fā)生運(yùn)動(dòng)軌跡的改變。該力的體積密度為j×B，其不僅取決于電流密度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，而且還取決于這兩個(gè)矢量之間的夾角。帶電粒子平行于磁力線的分量運(yùn)動(dòng)方向不會(huì)改變。當(dāng)帶電粒子與磁力線成一定角度時(shí)，其將在庫(kù)侖力和洛倫茲力的作用下繞磁力線作偏轉(zhuǎn)回旋運(yùn)動(dòng)。這將使得帶電粒子有更長(zhǎng)的路徑和更小的平均自由程λ，從而增加帶電粒子電離碰撞的概率[15,18]，導(dǎo)致放電電流的增加[19]。

3 磁場(chǎng)環(huán)境下臭氧產(chǎn)生的影響因素分析

3.1 放電電壓對(duì)臭氧產(chǎn)生的影響

為了確定放電功率的平均值，在實(shí)驗(yàn)中定義為電壓和電流在一段時(shí)間內(nèi)的瞬時(shí)乘積，如下所示[20]：

(2)

式(2)中：T為電源周期；V(t)和I(t)分別為電壓和電流信號(hào)，kV，A。

圖5比較了有無(wú)磁場(chǎng)環(huán)境時(shí)臭氧濃度、臭氧產(chǎn)率和放電功率隨放電電壓的變化。由圖5(a)可知，在磁場(chǎng)環(huán)境下，隨著放電電壓的升高，產(chǎn)生的臭氧濃度逐漸增加。放電間隙的折合場(chǎng)強(qiáng)因放電電壓的增加而增加，加速了氧分子的解離速度，從而有利于促進(jìn)更多的臭氧產(chǎn)生。此外，在特定電壓下，有磁場(chǎng)環(huán)境下的放電產(chǎn)生的臭氧濃度高于沒有磁場(chǎng)。同時(shí)隨著放電電壓的增加，磁場(chǎng)對(duì)臭氧產(chǎn)生的影響增大。當(dāng)放電電壓、放電頻率和氣體流量分別為8 kV，6.5 kHz和1 SLPM時(shí)，無(wú)磁場(chǎng)環(huán)境下的放電臭氧濃度為(745±64) r·min-1，而在有磁場(chǎng)環(huán)境下的放電時(shí)，臭氧濃度為(992±74) r·min-1，臭氧濃度提高了33.1%。

由圖5(b)可知,在磁場(chǎng)環(huán)境下，臭氧產(chǎn)率隨放電電壓的增加而增加，但磁場(chǎng)作用下的臭氧產(chǎn)率的增加是微不足道的。這是因?yàn)樘砑哟艌?chǎng)時(shí)臭氧濃度的增加與放電功率的增加是平衡的。另一個(gè)考慮因素是臭氧和功率測(cè)量中存在誤差棒。因此，由磁場(chǎng)放電產(chǎn)生的臭氧濃度和臭氧產(chǎn)率不能同時(shí)增加。

放電頻率一定時(shí)，不同放電電壓下的放電功率見圖5(c)。無(wú)論有無(wú)磁場(chǎng)環(huán)境下，放電電壓的增大都會(huì)導(dǎo)致放電功率的提高。放電間隙的電壓因?yàn)榉烹婋妷旱脑黾佣焖偕仙?，使得單位周期?nèi)隨機(jī)分布的電流細(xì)絲數(shù)目和傳輸電荷隨著增加，從而放電功率增加。此外，還能觀察到在特定放電電壓和放電頻率下，有磁場(chǎng)環(huán)境下的放電功率是高于沒有磁場(chǎng)時(shí)的放電功率。在放電電壓、放電頻率和氣體流量分別為8 kV，6.5 kHz和1 SLPM時(shí)放電功率提高了約22.9%。

通過(guò)考慮以下因素，可以定性地理解上述結(jié)果：首先，當(dāng)電子離開空心針電極后會(huì)向接地銅板電極軸向移動(dòng)，將受到體積密度為fe=Fen=qnE的電場(chǎng)力，其中n為電子密度。若將磁場(chǎng)B加入到放電間隙中時(shí)，帶電粒子將同時(shí)受到洛倫茲力而運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生改變。該力的體積密度為fm=Fn=qn(v×B)=j×B，該式表明此力受到電流密度和磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的影響。電流密度受放電電壓的影響，其隨著放電電壓的增加而增加。因此，fm的體積密度也隨著增大。綜上所述，隨著放電電壓的增加，磁場(chǎng)對(duì)臭氧產(chǎn)生將有更積極的影響。此外，該力也受到兩個(gè)矢量夾角的影響。放電間隙內(nèi)磁力線和電力線的角度將影響到帶電粒子的速度和運(yùn)動(dòng)方向。圖3示出了放電間隙中磁感應(yīng)的軸向和徑向分量，同時(shí)由于放電間隙為1 mm。因此可知，放電間隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度的徑向分量Br要小于軸向分量Bx。由此表明磁場(chǎng)主要影響的是帶電粒子的徑向運(yùn)動(dòng)而非軸向運(yùn)動(dòng)。而帶電粒子的徑向運(yùn)動(dòng)會(huì)使得其沿電介質(zhì)板表面展開，這將使得磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子填充放電間隙有積極的效應(yīng)，從而提高了相同放電電壓下的放電功率。

3.2 氣體流量對(duì)臭氧產(chǎn)生的影響

圖6和7分別比較了不同放電電壓和放電頻率下，有無(wú)磁場(chǎng)時(shí)臭氧濃度、臭氧產(chǎn)率和放電功率隨氣體流量的變化。在不同放電電壓和頻率時(shí)，通過(guò)增加氣體流量降低了放電產(chǎn)生的臭氧濃度。這一結(jié)果可以由氣體流量的增加帶來(lái)更多的氣體分子到放電室的事實(shí)來(lái)解釋，以幾乎相同的功率輸送到排放口的臭氧濃度應(yīng)降低。另一個(gè)考慮因素是，空氣停留在放電間隙的時(shí)間隨氣體流量的增大而減短，致使帶電粒子間的碰撞幾率大幅減少，不利于臭氧的產(chǎn)生[21]。氣體流量的增大會(huì)提高臭氧產(chǎn)率。此外，磁場(chǎng)的應(yīng)用對(duì)不同氣體流量下的臭氧濃度也有積極的影響。當(dāng)放電電壓、放電頻率和氣體流量分別為6 kV，6.5 kHz和4 SLPM時(shí)，無(wú)磁場(chǎng)環(huán)境下的放電的臭氧濃度約為(103±11) r·min-1。但對(duì)于有磁場(chǎng)環(huán)境下的放電，該濃度可增加至約(128±15) r·min-1，臭氧濃度提高了約24.3%。

3.3 放電頻率對(duì)臭氧產(chǎn)生的影響

臭氧濃度、臭氧產(chǎn)率和放電功率隨放電頻率變化曲線見圖8?？梢钥吹?，在有無(wú)磁場(chǎng)環(huán)境下，隨著放電頻率的增加，臭氧濃度增加，臭氧產(chǎn)率略有下降，且放電功率也隨之增加。此外，磁場(chǎng)的存在也會(huì)提高不同放電頻率下臭氧濃度和放電功率。同時(shí)隨著放電頻率增加，磁場(chǎng)對(duì)臭氧產(chǎn)生和放電功率將有更積極影響。在放電電壓、放電頻率和氣體流量分別為6 kV，6.5 kHz和3.5 SLPM時(shí)產(chǎn)生的臭氧濃度和放電功率分別增加了約24.3%，18.3%。

放電頻率的增加促進(jìn)比能的增加，單個(gè)分子的平均輸入能量也隨之增加，其次，放電間隙的容抗隨著放電頻率的增加而減小，單位時(shí)間內(nèi)的電流脈沖個(gè)數(shù)隨著放電頻率的增加而增加，使得放電間隙內(nèi)參與臭氧分子合成的高能粒子數(shù)量增多。綜上所述，臭氧濃度和放電功率將隨著放電頻率的增加而不斷上升。同時(shí)，放電頻率的增加也會(huì)使磁增強(qiáng)效應(yīng)更明顯，這是因?yàn)殡娏髅芏萰與f有關(guān)[22]，j與外加電壓U和介質(zhì)板材料相對(duì)介電常數(shù)εd成正比，而與氣隙相對(duì)介電常數(shù)εg成反比。且隨著放電頻率f的增加，介質(zhì)層等效電容Cd增加，放電間隙等效電容Cg減小。因此，放電電流密度j隨放電頻率的增加而增加，從而使得fm的體積密度更高。

4 結(jié)論

本文采用磁場(chǎng)增強(qiáng)針板DBD臭氧發(fā)生裝置，綜合研究了在磁場(chǎng)環(huán)境下放電電壓、放電頻率和氣體流量對(duì)針板DBD臭氧發(fā)生的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 磁場(chǎng)可以增加放電電流，這是因?yàn)榇艌?chǎng)的加入導(dǎo)致帶電粒子的偏轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致其在兩電極間的路徑增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)會(huì)增加電離碰撞，進(jìn)而產(chǎn)生高的放電電流。同時(shí)也使放電空間產(chǎn)生更多的電離粒子,磁場(chǎng)有助于電離粒子填滿放電空間,在8 kV，6.5 kHz和1 SLPM下放電功率約提高了22.9%。

(2) 在磁場(chǎng)環(huán)境下,隨著放電電壓的增加，臭氧濃度、臭氧產(chǎn)率和放電功率隨之增加，無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的情況也是如此。同時(shí)磁場(chǎng)對(duì)臭氧濃度和放電功率有積極的影響，且隨著放電電壓的增大，這種影響將更明顯。臭氧濃度在8 kV，6.5 kHz和1 SLPM下增加約33.1%。然而，磁場(chǎng)并不能顯著增加臭氧產(chǎn)率。

(3) 在磁場(chǎng)環(huán)境下，固定放電電壓和頻率時(shí)，氣體流量的增加會(huì)降低放電產(chǎn)生的臭氧濃度。相反，臭氧產(chǎn)率則隨著氣體流量的增大而逐漸增大。

(4) 在磁場(chǎng)環(huán)境下，隨著放電頻率的增加，臭氧濃度和放電功率增加，而臭氧產(chǎn)率略有下降。同時(shí)磁場(chǎng)能增加臭氧濃度和放電功率，且隨著放電頻率的增加，磁場(chǎng)對(duì)臭氧濃度和放電功率將有更積極的影響。